曝气-水生植物协同净化养殖水体应用研究

文/包尤思

1 引言

青蛙肉质细嫩，营养丰富，具有较高的食用价值，在日常生活中是一种受欢迎的美味佳品。然而，青蛙是生态环境的保护者、是国家禁捕的保护动物，人工养殖青蛙是一种能兼顾青蛙的经济价值和保护生态环境不被破坏的有效方式，近年来发展迅速。然而，南方地区水系丰富、河网交错，青蛙养殖业对水环境的污染问题也日益突显。

水生植物修复技术具有前期投资不高、维护成本低、效果好、操作简单、美观等优点，已成为污染水体生态治理与修复的重点研究方向[1,2]。水生植物不仅能对水中的氮、磷、钾等营养元素和有机物有显著的去除效果，还能富集水中的重金属离子，如铅、锌、铜等[3,4]，另外还兼具灭藻功能[5]，已被广泛应用于河道、湖泊等方面的水污染治理。但当水体中污染物浓度较高时，水体供氧和耗氧将会失衡。水体缺氧乃至厌氧易导致水生植株腐烂，腐殖质进一步会增加水体的污染负荷。人工曝气是改善水体溶解氧含量低的重要手段，目前，人工曝气技术在污水处理和河道整治中的应用及研究较多[6]。如果在有机污染严重的青蛙养殖水体中同时采用人工曝气和种植水生植物的手段[7]，一方面将有利于改良水体微生物群落结构，另一方面也有助于改善水生植物根系的供氧状态，从而能有效提高水体生态的修复效率。鉴于以上考虑，本文讨论了在曝气条件下水生植株的生长状况，以及曝气-水生植物体系对青蛙养只废水中化学需氧量(CODCr)、总磷(TP)和氨氮的去除效果，以期为青蛙养殖水体净化技术提供参考依据。

2 材料与方法

2.1 研究材料

漂浮水生植物，来自水生花卉种植基地。

本文研究对象为青蛙养殖水的定期排放水，其CODCr、浓度分别为280～368 mg/L、25.55～32.10 mg/L、2.03～2.83 mg/L。本研究以该青蛙养殖废水为基础，用以考察漂浮植物的水体修复能力，其进水水质如表1所示。

表1 进水水质指标

2.2 研究设计

本研究体系放置在室外，可以接收充足的光照。此外，该体系也安装雨水遮挡措施。运行期间，体系的水温度为25～30 ℃。研究在两个水池中进行，分别为曝气组（好氧组）和不曝气组（缺氧组）。缺氧组作为对照组，用于探讨人工曝气对漂浮植物生长的影响及其修复养殖水体的效果。两反应池的尺寸均为1.0 m×0.4 m×0.6 m（长×宽×高），容积为240 L。曝气管铺设在曝气池底部，反应过程的溶解氧（DO）由曝气鼓风机提供，曝气的流量设定为75 L/h。植株漂浮在盛有200 L 青蛙养殖废水的水池中，水力负荷设为1.5 m3/(m2·d)。两组研究的植株（每植株鲜重及生长状况基本一致）初始放养量均设为1.725 kg/m2。在研究过程中，每7 d 采集并分析1 次进、出水水样，测定其CODCr、和TP 浓度，并称取水生植株的鲜重，计算其生物量的增长速率，整个研究过程分析测量共计5 次，研究周期为35 d。本研究中污染物的去除率(R)按下列公式计算：R=100% ×(Ci-Ce)/Ci；式中Ci、Ce分别为进水水样和出水水样的化学需氧量（mg/L）。本研究中植株的平均生物量增长速率(X)按下列公式计算：X=(mi-m0)/(t×A)；式中mi为第i次（i=1～5）称取时鲜重（kg）；m0为初始鲜重（kg）；t为运行时间（d）；A为植株漂浮净化系统表面积（m2）。

2.3 检测分析方法

本研究水样质量的CODCr、、TP 和DO 的检测方法如表2 所示[8]。

表2 水质指标检测方法

3 结果与讨论

3.1 曝气对植株生物量变化的影响

不同曝气条件下植株总生物量的变化见图1。由图1可知，两组反应池内植株的总生物量相差较大，说明溶解氧的含量对水生植物的生长影响大。植株投入反应池后，两组反应池内的植株均迅速繁殖，其平均生物量的增长率均呈先增后降的规律，并且均在第7 d 达到最大值，曝气池内平均生物增长率为110 g/(m2·d)，缺氧池内平均生物增长率为21.4 g/(m2·d)；继续运行到21 天时，缺氧池的总生物量从1.725 kg/m2增加到2.125 kg/m2，其平均生物量的增长率仅达19 g/(m2·d)。相比而言，曝气池中水生植株的总生物量从最初的1.725 kg/m2增加到了3.425 kg/m2，其平均生物量的增长率高达82 g/(m2·d)，增长率是缺氧池的4.3 倍。生物量增长率的显著差异归因于水生植株的生长特性，呼吸作用对植物生长的意义重大，是植物生长活动中所需能量的主要来源，水生植物根系的呼吸作用主要依靠水中的DO。由于缺氧池内长期处于缺氧或厌氧状态，DO含量很低，氧气供应不足，导致植物根系呼吸缺氧。不仅如此，厌氧微生物活动产生的大量酸类物质以及甲烷、硫化氢等有害气体，易对植物产生毒害作用，从而影响水生植物生长发育。因此，其他环境条件相对一致的情况下，曝气条件直接影响水生植物的生长发育。运行21 天后，两组反应池内总生物量几乎不再增加，选择在此时对水生植物进行收割，可最大限度地发挥其处理污染物的效能。

图1 不同曝气条件下水生植株总生物量变化

氮、磷是影响水生植物生长的主要元素，水生植物吸收的营养元素越多，其生长速度越快，治污的效果越好。据研究，水生植株生长每增加100 kg (干重6 kg)，可吸收水体中的氮、磷、钾的量分别为158 g、25.8 g、255 g[9]。按本研究所得曝气池内最大生物量增长率0.11 kg/(m2·d)计算，每1 m2的植株每天可增重0.11 kg，相应地可从污染水体中吸收氮、磷、钾的量分别为0.17 g、0.028 g 和0.28g。该结果表明曝气-水生植株体系净化水体具有可行性，且运行成本低、净化效率高。

3.2 曝气对水生植株净化污水效果的影响

图2-4 为曝气-水生植株体系对主要水质指标CODCr、和TP 的影响结果。

3.2.1 曝气对水生植株治理污水CODCr 的影响

在曝气-水生植株体系处理青蛙养殖水体期间，进水CODCr浓度为280～368 mg/L，平均为307 mg/L。曝气池和缺氧池出水CODCr浓度分别为32～80 mg/L和200～260 mg/L，平均质量浓度分别为53 mg/L 和234mg/L，其中，曝气池的出水CODCr达到GB 18918-2002的一级B排放标准，接近一级A排放标准[10]。由图2 (b)可见，投入水生植物运行14 天内，CODCr去除率逐渐增加，曝气池CODCr去除率明显高于缺氧池。但在14～21天，去除率增加幅度趋于平缓。这可能是由于，一方面水生植物部分枯叶脱落进入水体，导致水体内有机物含量升高；另一方面，水生植物根部吸附了有机物，且已经达到饱和，因此CODCr的去除速率减缓。此外，水生植物总生物量变化趋势与所在水体中的CODCr去除率的趋势相同，说明水生植物的生物量对CODCr的去除具有重要作用。当该体系运行至21 天时，两组的CODCr去除率均达到最高值，分别为89.7%和32.4%。当运行结束时，曝气池的CODCr去除率远高于缺氧池，这说明在水生植物处理青蛙养殖废水的过程中，曝气对CODCr的去除效果发挥了很大作用。

3.2.2 曝气对水生植株去除水体效果的影响

图2 不同曝气条件下水生植株对出水COD 的影响

图3 不同曝气条件下植株对出水NH4+-N 的影响

图4 不同曝气条件下植株对出水TP 的影响

3.2.3 曝气对植株去除水体TP 能力的影响

在曝气-水生植株体系处理废水期间，进水的TP 浓度为2.04～2.53 mg/L，平均2.18 mg/L。曝气池和缺氧池出水TP 浓度分别为0.96～1.32 mg/L 和1.49～2.43 mg/L，平均质量浓度分别为0.98 mg/L 和1.84 mg/L，曝气池出水TP 达到GB 18918-2002 一级B 排放标准[10]。由图2 (b)可见，两组反应池内TP 去除率均呈现出先增加后降低的趋势，运行到21 天 时，去除率均达到最高值，曝气池的去除率为53.62%，厌氧池为28.3%。随着运行时间的增加，植株对磷元素的吸收趋于饱和，该系统对TP的去除率逐渐降低。

由图2—4 可见，植株总生物量与所在水体中的有机物及N、P 去除率的变化趋势相同，且对N 的去除率明显高于P 的去除率，说明植株对N 的吸收量远高于P。当曝气-水生植株体系运行到第21 天时，曝气池内各水质指标COD、和TP 的去除率高达89.7%、81.1%及53.62%，去除效率远远高于缺氧池，是缺氧池对应指标的2.8、4.0 和1.9 倍。

4 结论

（1）利用曝气-水生植株体系处理青蛙养殖废水，当运行温度在25～30℃，体系连续运行到第21 天时，曝气池中的水生植物总生物量增加了1.7 kg/m2，其平均生物量的增长率为82 g/(m2·d)，较缺氧对照池生物量的增长率更高，是缺氧池的4.3 倍。该结果说明曝气有利于水生植物的生长。继续运行时，植株生物量几乎不变。因此，21 天为该体系收割水生植物的最佳周期。

（2）不论在曝气-水生植株体系，还是缺氧-水生植株体系，植株总生物量增加趋势与所在水体中的有机物及N、P 去除的趋势相同。当两个体系运行到运行21 d 时，曝气池内的水质指标CODCr、的去除率分别达到了89.7%、81.1%及53.62%，是缺氧-水生植株体系对应指标的2.8、4.0 和1.9 倍。曝气-水生植株处理体系的出水水质达到GB 18918-2002 一级B 排放要求。

（3）水生植物法净化青蛙养殖废水运行成本低、操作可行性高，增加曝气设备，对污水治理具有协同效果，能够大幅度地提高净化效率。

（4）青蛙是冬眠动物。利用冬眠季节，及时收割清理净化养殖排放废水的水生植株，既不影响养殖作业，又能保持水生植物较好的净化效果。